Вихревые токи

В электрических аппаратах, приборах и машинах металлические детали иногда движутся в магнитном поле или неподвижные металлические детали пересекаются силовыми линиями меняющегося по величине магнитного поля. В этих металлических деталях индуктируется ЭДС самоиндукции.

Под действием этих э. д. с. в массе металлической детали протекают вихревые токи (токи Фуко) , которые замыкаются в массе, образуя вихревые контуры токов.

Вихревыми токами (также токами Фуко) называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока.

Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые, по правилу Ленца, противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.

Пусть имеется сердечник из металлического материала. Поместим на этот сердечник катушку, по которой пропустим переменный ток. Вокруг катушки окажется переменный магнитный ток, пересекающий сердечник. При этом в сердечнике станет наводиться индуцированная ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает в сердечнике токи, называемые вихревыми. Эти вихревые токи нагревают сердечник. Так как электрическое сопротивление сердечника невелико, то наводимые в сердечниках индуцированные токи могут оказываться достаточно большими, а нагрев сердечника — значительным.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф. Араго (1786 — 1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции.

Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819 — 1868) и названы его именем. Он назвал явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

В качестве примера на рис унке показаны вихревые токи, индуктируемые в массивном сердечнике, помещенном в катушку, обтекаемую переменным током. Переменное магнитное поле индуктирует токи, которые замыкаются по путям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных направлению поля.

Вихревые токи: а — в массивном сердечнике, б — в пластинчатом сердечнике

Способы уменьшения токов Фуко

Мощность, затрачиваемая на нагрев сердечника вихревыми токами, бесполезно снижает КПД технических устройств электромагнитного типа.

Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого сердечники набирают из отдельных тонких (0,1- 0,5 мм) пластин, изолированных друг от друга с помощью специального лака или окалины.

Магнитопроводы всех машин и аппаратов переменного тока и сердечники якорей машин постоянного тока собирают из изолированных друг от друга лаком или поверхностной непроводящей пленкой (фосфатированных) пластин, выштампованных из листовой электротехнической стали. Плоскость пластин должна быть параллельна направлению магнитного потока.

При таком делении сечения сердечника магнитопровода вихревые токи существенно ослабляются, так как уменьшаются магнитные потоки, которыми сцепляются контуры вихревых токов, а следовательно, понижаются и индуктируемые этими потоками э. д. с, создающие вихревые токи.

В материал сердечника также вводят специальные добавки, также увеличивающие его электрическое сопротивление. Для увеличения электрического сопротивления ферромагнетика электротехническую сталь приготовляют с присадкой кремния.

Сердечники некоторых катушек (бобин) набирают из кусков отожженной железной проволоки. Полоски железа располагают параллельно линиям магнитного потока. Вихревые же токи, протекающие в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, ограничиваются изолирующими прокладками. Для магнитопроводов приборов и устройств, работающих на высокой частоте, применяют магнетодиэлектрики. Чтобы снизить вихревые токи в проводах, последние изготавливают в виде жгута из отдельных жил, изолированных друг от друга.

Лицендрат — это система переплетенных медных проводов, в которой каждая жила изолирована от соседних. Лицендрат предназначен для использования на высокочастотных токах для предотвращения возникновения паразитных токов и токов Фуко.

Применение токов Фуко

В ряде случаев вихревые токи используются в технике, например для торможения вращающихся массивных деталей. Электродвижущая сила, наводимая в элементах детали при пересечении магнитного поля, вызывает в ее толще замкнутые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем, создают значительные противодействующие моменты.

Широко применяется также такое магнитоиндукционное торможение для успокоения движения подвижных частей электроизмерительных приборов, в частности для создания противодействующего момента и торможения подвижной части электрических счетчиков.

В этих приборах диск, укрепленный на оси счетчика, вращается в зазоре постоянного магнита. Наводимые в массе диска при этом движении вихревые токи, взаимодействуя с потоком того же магнита, создают противодействующий и тормозящий моменты.

Например, вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает магнитные силовые линии постоянного магнита. В плоскости диска возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают свои магнитные потоки в виде трубочек вокруг вихревого тока. Взаимодействуя с основным полем магнита, эти потоки тормозят диск.

В ряде случаев, применяя вихревые токи, можно использовать технологические операции, которые невозможно применить без токов высокой частоты. Например, при изготовления вакуумных приборов и устройств из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона.

Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.

Примером полезного применения вихревых токов, вызываемых переменным полем, могут служить электрические индукционные печи. В них магнитное поле высокой частоты, создаваемое обмоткой, которая окружает тигель, наводит вихревые токи в металле, находящемся в тигле. Энергия вихревых токов трансформируется в тепло, плавящее металл.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Что такое вихревые токи и какие меры принимают для их уменьшения

Что такое вихревые токи и почему их еще называют токами Фуко? Причины возникновения данного явления и способы применения.

В электричестве есть целый ряд явлений, которые нужно знать специалистам. Хоть и не вся информация может пригодиться в повседневной практике, но иногда поможет понять причину какой либо проблемы. Вихревые токи послужили причиной становления некоторых технологических ухищрений при изготовлении электрических машин и даже стали основой для принципа работы некоторых изобретений. Давайте разберемся, что такое вихревые токи Фуко и как они возникают. Содержание:

• Краткое определение
• История открытия
• Вред от вихревых токов
• Как снизить потери
• Применение на практике

Краткое определение

Вихревые токи — это токи, которые протекают в проводниках под воздействием на них переменного магнитного поля. Не обязательно поле должно изменяться, может и тело двигаться в магнитном поле, все равно в нем начнёт течь ток.

Нельзя найти реальную траекторию движения токов для их учёта, ток протекает там, где находит путь с наименьшим сопротивлением. Вихревые токи всегда протекают по замкнутому контуру. Основные условия для его возникновения — нахождение предмета в переменном магнитном поле или его перемещение относительно поля.

История открытия

В 1824 году учёный Д.Ф. Араго проводил эксперимент. Он на одной оси смонтировал медный диск, над ним расположил магнитную стрелку. При вращении магнитной стрелки диск начинал двигаться. Так впервые наблюдали явление вихревых токов. Диск начинал вращаться из-за того, что из-за протекания токов появлялось магнитное поле, которое взаимодействовало со стрелкой. Это назвали, тогда как явление Араго.

Спустя пару лет М. Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, объяснял это явление таким образом: подвижное магнитное поле наводит в диске ток (как в замкнутом контуре) и он взаимодействует с полем стрелки.

Почему второе название — это токи Фуко? Потому что физик Фуко подробно исследовал явление вихревых токов. В ходе своих исследований он сделал великое открытие. Оно заключалось в том, что тела под воздействием вихревых токов нагреваются. С теорией разобрались, теперь мы расскажем о том, где применяются токи Фуко и какие вызывают проблемы.

На видео ниже предоставлено более подробное определение данного явления:

Вред от вихревых токов

Если вы рассматривали конструкцию сетевого трансформатора 50 Гц, наверняка обратили внимание, что его сердечник набран из тонких листов, хотя может показаться что проще было сделать цельную литую конструкцию.

Дело в том, что так борются с вихревыми токами. Фуко установил нагрев тел, в которых они протекают. Так как работа трансформатора и основана на принципах взаимодействия переменных магнитных полей, то вихревые токи неизбежны.

Любой нагрев тел – это выделение энергии в виде тепла. В таком случае будут возникать потери в сердечнике. Чем это опасно? В электроустановке сильный нагрев приводит к разрушению изоляции обмоток и выходу из строя машины. Вихревые токи зависят от магнитных свойств сердечника.

Как снизить потери

Потери энергии в магнитопроводе не приносят пользы, тогда как с ними бороться? Чтобы снизить их величину сердечник набирают из тонких пластин электротехнической стали — это своеобразные меры профилактики для снижения паразитных токов. Такие потери описывает формула, по которой можно произвести расчет:

Как известно: чем меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление, а чем больше его сопротивление, тем меньше ток. Пластины изолируют друг от друга окалиной или слоем лака. Сердечники крупных трансформаторов стягиваются изолированной шпилькой. Так снижают потери сердечника, т.е. это и есть основные способы уменьшения токов Фуко.

Какие последствия от влияния этого явления? Магнитное поле, возникающее из-за протекания токов Фуко ослабляет поле, из-за которого они возникли. То есть вихревые токи уменьшают силу электромагнитов. То же самое касается и конструкции деталей электродвигателей и генератора: ротора и статора.

Применение на практике

Теперь о полезных сферах применения токов Фуко. Огромный вклад был внесен в металлургию изобретением индукционных сталеплавильных печей. Они устроены таким образом, что расплавляемую массу металла помещают внутри катушки, через которую протекает ток высокой частоты. Его магнитное поле наводит большие токи внутри металла до его полного плавления.

Примечание автора! Развитие индукционных печей значительно повысило экологичность производства металла и изменило представление о методах плавки. Я работаю на металлургическом комбинате, где десять лет назад запустили новый высокотехнологичный цех с такими установками, а спустя несколько лет после освоения нового оборудования был закрыт классический мартен. Это говорит о продуктивности такого способа нагрева металлов. Также используются вихревые токи для поверхностной закалки металла.

Наглядное применение на практике:

Кроме металлургии они используются на производстве электровакуумных приборов. Проблемой является полное удаление газов перед герметизацией колбы. С помощью токов Фуко электроды лампы разогревают до высоких температур, таким способом деактивируя газ.

В быту вы можете встретить кухонные индукционные плиты, на которых готовят пищу, благодаря как раз применению данного явления. Как видите, вихревые токи имеют свои плюсы и минусы.

Токи Фуко несут и пользу, и вред. В некоторых случаях их влияние влечёт за собой не электрические проблемы. Например, трубопровод, проложенный около кабельных линий, быстрее сгнивает без видимых сторонних причин. В то же время устройства индукционного нагрева довольно показали себя с хорошей стороны, тем более такой прибор для бытового использования можно собрать самому. Надеемся, теперь вы знаете, что такое вихревые токи Фуко, а также какое применение нашлось им на производстве и в быту.

Материалы по теме:

• Как сделать индукционный котел своими руками
• Зависимость сопротивления проводника от температуры
• Правило буравчика простыми словами

Источник

Самодельный вихревой индукционный нагреватель из сварочного инвертора

Электрические нагревательные приборы исключительно удобны в эксплуатации. Они гораздо безопаснее, чем любое газовое оборудование, не производят копоти и сажи, в отличие от агрегатов, работающих на жидком или твердом топливе, наконец, для них не нужно заготавливать дрова и т. п. Главный недостаток электрических нагревателей — высокая стоимость электроэнергии. В поисках экономии некоторые умельцы решили изготовить индукционный нагреватель своими руками. Они получили отличное оборудование, для работы которого требуется гораздо меньше расходов.

Принцип работы индукционного нагрева

В работе индукционного нагревателя используется энергия электромагнитного поля, которую нагреваемый объект поглощает и преобразует в тепловую. Для генерирования магнитного поля используется индуктор, т. е. многовитковая цилиндрическая катушка. Проходя через этот индуктор, переменный электрический ток создает вокруг катушки переменное магнитное поле.

Самодельный инверторный нагреватель позволяет производить нагрев быстро и до очень высоких температур. С помощью таких устройств можно не только нагревать воду, но даже плавить различные металлы

Если внутрь индуктора или близ него разместить нагреваемый объект, его будет пронизывать поток вектора магнитной индукции, который постоянно меняется во времени. При этом возникает электрическое поле, линии которого располагаются перпендикулярно направлению магнитного потока и движутся по замкнутому кругу. Благодаря этим вихревым потокам электрическая энергия трансформируется в тепловую и объект нагревается.

Таким образом, электрическая энергия индуктора передается объекту без использования контактов, как это происходит в печах сопротивления. В результате тепловая энергия расходуется более эффективно, а скорость нагрева заметно повышается. Широко применяется этот принцип в области обработки металла: его плавки, ковки, пайки наплавки и т. п. С не меньшим успехом вихревой индукционный нагреватель можно использовать для подогрева воды.

Индукционный генератор тепла в системе отопления

Чтобы организовать отопление частного дома с помощью индукционного нагревателя, проще всего использовать трансформатор, который состоит из первичной и вторичной короткозамкнутой обмотки. Вихревые токи в таком устройстве возникают во внутренней составляющей и направляют образовавшееся электромагнитное поле на вторичный контур, который одновременно выполняет роль корпуса и нагревательного элемента для теплоносителя.

Обратите внимание, что в качестве теплоносителя при индукционном нагреве может выступать не только вода, но также антифриз, масло и любые другие токопроводящие среды. При этом степень очистки теплоносителя большого значения не имеет.

Инверторный нагреватель имеет компактные размеры, работает бесшумно и может быть установлен практически в любом подходящем месте, соответствующем требованиям техники безопасности

Индукционный отопительный котел оснащают двумя патрубками. Нижний патрубок, по которому будет поступать холодный теплоноситель, необходимо устанавливать на вводном участке магистрали, а вверху устанавливают патрубок, передающий горячий теплоноситель к подающему участку трубопровода. Когда теплоноситель, находящийся в котле, нагревается, возникает гидростатический напор, и теплоноситель поступает в отопительную сеть.

В работе индукционного нагревателя есть ряд преимуществ, о которых следует упомянуть:

• теплоноситель в системе постоянно циркулирует, что предотвращает вероятность ее перегрева;
• индукционная система вибрирует, в результате накипь и другие осадки не откладываются на стенках оборудования;
• отсутствие традиционных нагревательных элементов позволяет эксплуатировать котел с высокой интенсивностью, не опасаясь частых поломок;
• отсутствие разъемных соединений исключает протечки;
• работа индукционного котла не сопровождается шумом, поэтому его можно установить практически в любом подходящем помещении;
• при индукционном нагреве не выделяются какие-либо опасные продукты разложения топлива.

Безопасность, бесшумная работа, возможность использовать подходящий теплоноситель и долговечность оборудования привлекли немало домовладельцев. Некоторые из них задумываются о возможности изготовить самодельный индукционный нагреватель.

Как сделать индукционный нагреватель самому?

Самостоятельное изготовление такого нагревателя — не слишком сложная задача, с которой может справиться даже начинающий мастер. Для начала следует запастись:

• куском пластиковой трубы с толстыми стенками, которая станет корпусом нагревателя;
• стальной проволокой диаметром не более 7 мм;
• переходниками для присоединения корпуса нагревателя к отопительной системе дома;
• металлической сеткой, которая будет удерживать внутри корпуса кусочки стальной проволоки;
• медной проволокой для создания индукционной катушки;
• высокочастотным инвертором.

Для начала следует подготовить стальную проволоку. Для этого ее просто нарезают кусочками примерно 5 см длиной. Дно отрезка пластиковой трубы закрывают металлической сеткой, внутрь засыпают кусочки проволоки, сверху корпус также закрывают металлической сеткой. Корпус должен быть заполнен кусочками проволоки полностью. При этом приемлемой может быть проволока не только из «нержавейки», но также из других металлов.

Затем следует изготовить индукционную катушку. В качестве основы используется подготовленный пластиковый корпус, на который аккуратно наматывают 90 витков медной проволоки.

После того, как катушка готова, корпус с помощью переходников присоединяют к отопительной системе дома. После этого катушку подключают к сети через высокочастотный инвертор. Считается вполне целесообразным сделать индукционный нагреватель из сварочного инвертора, поскольку это самый простой и бюджетный вариант.

Чаще всего при изготовлении самодельных вихревых индукционных нагревателей используют недорогие модели сварочных инверторов, поскольку они удобны и полностью соответствуют требованиям

Необходимо отметить, что не стоит испытывать устройство, если в него не подается теплоноситель, иначе пластиковый корпус может очень быстро расплавиться.

Интересный вариант индукционного нагревателя, сделанного из варочной панели, представлен в видеоматериале:

Несколько полезных советов по безопасности

Чтобы повысить безопасность конструкции, советуется выполнить изоляцию открытых участков медной катушки.

Индукционный нагреватель рекомендован только для закрытых систем отопления, в которых осуществляется принудительная циркуляция теплоносителя с помощью насоса.

Следует размещать систему индукционного нагрева на расстоянии не менее 30 см от стен и мебели и не менее 80 см — от потолка или пола.

Чтобы сделать работу устройства более безопасной, рекомендуется оснастить его манометром, а также системой автоматического управления и приспособлениями для отвода попавшего в систему воздуха.

Источник